深部围岩分区破裂化模型试验研究

袁 亮,顾金才,薛俊华,张向阳

(1.深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室,安徽淮南 232000;2.淮南矿业(集团)有限责任公司,安徽淮南 232000;3.总参工程兵科研三所,河南洛阳 471023)

深部围岩分区破裂化模型试验研究

袁 亮1,2,顾金才3,薛俊华1,2,张向阳3

(1.深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室,安徽淮南 232000;2.淮南矿业(集团)有限责任公司,安徽淮南 232000;3.总参工程兵科研三所,河南洛阳 471023)

为研究深部巷道围岩破裂机理,在“深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验装置”进行了模型试验,系统研究了深部巷道围岩在最大初始开洞荷载与洞室轴线平行作用下直墙拱顶试验的破坏形态和机理。模型试验表明:当最大主应力与洞室轴线平行,在较大轴向压力作用下产生较大的朝洞内的膨胀变形,使得在围岩内产生较大的径向拉应变,其产生的拉伸断裂是出现分层破坏现象的关键,分布特点是随着轴向应力的增加其拉应变值增加,随距洞壁距离的增大其拉应变值减小。拉伸断裂面形成后,相当于在原来的介质内又形成了一个新的半径增大的洞室,洞室在较大的轴向压应力持续作用下,拉伸破坏过程不断重复出现,就会形成交替的破裂区域和未破裂区域,即分层破裂现象。

深部岩体;拉伸断裂;分区破裂;模型试验

随着地下空间开发应用逐步向深部发展,深部岩体开挖的力学问题已引起国际岩土工程界的广泛重视[1-4]。深部开挖巷道围岩产生呈间隔分布的所谓的“分区破裂化现象”或“环带状分层破坏现象”的观点,受到岩石力学界相关专家、学者的极大关注和争论,并从不同的角度进行了大量的研究工作。

自20世纪七八十年代发现分区破裂现象以后,国内外许多专家学者就开始研究深部岩石力学问题,其中最具代表性的是俄罗斯E.I.SHEMYAKIN等[4]对分区破裂现象进行的包括现场深部矿井实验、实验室模拟实验、理论分析等系列研究,发现在深部矿井开采工作面附近围岩中呈现出环带状破碎现象,并通过等效材料模型实验和理论分析,验证了围岩中的分区破裂化现象,给出了产生这一现象的条件公式[5]。我国也有多位学者对深部开挖问题进行了研究,方祖烈等[6-7]1980—1985年在我国的金川镍矿区通过现场量测,发现深部围岩变形的力学形态是拉应变和压应变交替出现并往深部局部衰减,直至消失。李英杰等[8]指出分区破裂化的发生与大采深有关,认为支撑压力区的劈裂破坏是岩石分区碎裂化现象产生的必要条件。钱七虎[9]研究了深部岩体工程响应的特征,界定了“深部”岩体的范围,对深地下工程建设过程中围岩出现的交替破裂区和非破裂区的新的破坏形态,将其称之为分区破裂化现象[10]。顾金才等[11]通过“先开洞,后加载”模型试验,成功再现了分区破裂现象,结果表明,在深部条件下,沿洞室轴向压应力较大是引起洞室围岩分区破裂的根本原因。

本文在“先开洞,后加载”试验的基础上[12],应用“深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验装置”进行了系统模型试验,通过分析荷载施加洞周应变的特征及模型体内断裂丝断裂过程,全面研究了深部巷道围岩在最大初始开洞荷载与洞室轴线平行作用下的破坏形态及机理。

1 试验概况

模型试验在总参工程兵科研三所和淮南矿业集团有限责任公司煤矿瓦斯治理国家工程研究中心联合研制的“深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验装置”上进行,试验装置如图1所示。试验模型体尺寸为长×宽×厚=1 000 mm×1 000 mm×400 mm。

图1 深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验装置Fig.1 Capacity of deep rock breakagemechanics and supporting techniquemodel test

模型试验相似问题主要考虑了几何相似条件和应力相似条件,根据试验装置的内部结构尺寸,选取几何相似系数为1∶15,应力相似系数为1∶20。试验采用地下工程常用的直墙拱顶形结构形式进行试验,原型洞室侧墙高度为1 500 mm,拱高为1 500 mm;对应的模型洞室侧墙高度为100 mm,拱高100 mm。原型洞室和模型洞室的尺寸如图2所示。

图2 直墙拱顶洞室截面尺寸Fig.2 Section size of uprightall-crown mine

选取水泥∶砂∶水=1∶14∶1.4(质量比)的低标号水泥砂浆作为岩体模拟材料,采用分层夯实法成型。模型材料的抗压强度为2.28 MPa。原岩、要求选用的模拟材料及选定的模拟材料的具体力学参数见表1。

表1 原型岩体及模型材料力学参数Table 1 M echanical parameters of prototype rock material and modelm aterial

目前地下洞室的安全稳定性的研究方法较多,如邓声君等对目前地下洞室稳定分析方法进行了总结,并指出,在进行物理模型试验,设计相似模型时,抓住关键的几项相似性,也就达到了解决实际问题的需求[13],本次试验主要对抗压强度、泊松比和弹性模量及内摩擦角等力学参数进行了相似模拟。此外,原型岩体的力学参数应该具有上、下限值,本文仅取其中间值进行了模拟,模拟值的原型值应该在其上、下限范围内。

模型体分上、下两片,采用人工夯筑成型。待在下片模型体上表面黏结完成应变片和断裂丝后,将上、下两片模型体黏结在一起,形成一个整体,然后将模型体吊装进试验装置内,即可进行试验。

试验时,模型体的上、下大面(包含长、宽为1 000 mm的面)水平放置,这样洞室横截面呈水平状,洞室轴线方向在竖直方向,平行于洞室轴线的竖向荷载最大,2个水平方向荷载分别垂直于洞室拱顶和侧墙。在加载过程中,始终保持模型体两个水平方向的荷载按照与洞轴线平行荷载成1/3的比例,施加至要求荷载,如图3所示,其中,Pv为拱顶方向压力;Ph为侧墙方向压力;Pz为垂直方向压力;Rc为模型材料单轴抗压强度。先施加开洞荷载(即开挖洞室时模型体边界荷载),共分8次均匀施加。形成洞室的原始地应力场。其轴向应力为Pz=4.95 MPa= 2.17Rc。对应于原型洞室,其轴向应力达到99 MPa,拱顶和侧墙方向应力为33 MPa。如果该原型应力场单纯由岩体自重产生,则洞室上方岩体的厚度可达2 292 m。

图3 模型试验荷载示意Fig.3 Load sketch of testmodel

施加至要求荷载后开挖洞室,分4次全断面开挖,每次开挖深度为10 cm。在开挖过程中,始终保证边界荷载等于施加的第8级荷载。洞室开挖完毕后,进行超载破坏试验,直至最大试验荷载施加至Pz=9.48 MPa=4.16Rc,洞室破坏。模型施加开洞荷载和超载的具体荷载步见表2。试验结束后,在距中间面5 cm的截面将模型体锯开,观察洞室周围的破坏情况。模型洞室的宏观破坏形态及洞室典型部位裂缝范围如图4,5所示。

2 深部巷道围岩分层破裂模型试验研究

模型试验分为开洞荷载和超载两步进行,所以对模型开洞荷载施加洞周应变特征和超载过程中洞周应变特征分别进行分析。

表2 模型施加荷载步Table2 Load step on model block MPa

图4 模型体宏观破坏形态Fig.4 Macro fracture shape ofmodel

根据现场试验现象及后文所述断裂丝的破坏过程,可看出洞室围岩的破坏主要发生在超载过程(图4,5)。模型体内的应变测点布置如图6所示。在图6中,每个侧点布置呈“丁”子状的2个应变片,分别测量朝向洞室内部的径向应变和平行于洞壁的环向应变(对于拱顶,是平行于过正拱顶切线方向的环向应变)。这些应变测点均布置在垂直于洞室轴线的模型体中间水平面上。

将图4,5与试验过程中洞周介质内应变曲线(图7,8)结合分析,并重点分析超载完成后洞周的应变。图7,8中实线为测点测量值连线,虚线为拟合曲线,图中r/D表示测点距洞壁的距离r与洞室跨度D的比值;应变值正值为受拉,负值为受压,εr为径向应变,εθ为环向应变。

图5 洞室典型部位裂缝范围Fig.5 Typical crack scope around mine

图6 模型体内应变测点布置Fig.6 Strain measuring points arrangement in model block

2.1 模型开洞荷载施加洞周应变特征及其分析

在开挖过程中,模型保持开洞荷载时洞周介质内应变的变化特征如图7所示。由图7可知,在模型开挖过程中:

(1)模型洞室开挖后,拱顶部位、侧墙部位和底板下部围岩内的径向应变均为拉应变,环向应变多为压应变。

(2)洞室内径向应变随距洞壁距离的增大其拉应变值减小。

(3)距洞壁较近处,围岩变形较为剧烈,测得的应变值变化也较大,且规律性较差。

2.2 模型超载过程中洞周应变特征及其分析

在超载过程中,模型体洞周介质内应变的变化特征如图8所示。

根据图4,5,结合模型超载过程中洞周介质内应变曲线图8可知:

(1)模型超载后,洞室围岩出现环带状分层破坏现象(图4)。由图8可知,超载过程中,拱顶部位、侧墙部位和底板下部围岩内的径向应变均为拉应变,而且拉应变值大小基本上差别不大。

拉伸断裂面形成后,相当于在原来的介质内又形成了一个新的半径增大的洞室,洞室在继续增大的轴向压应力作用下,上述拉伸破坏和剪切破坏过程不断重复出现,就会形成交替的破裂区域和未破裂区域的分破坏现象。

可以得出,径向应变是洞周出现环状裂缝的主要原因,其产生的拉伸断裂是围岩中出现分层破坏现象的关键。

(2)图5中,底板下部环状裂缝的范围最大为120 mm;而拱顶上部的环状裂缝范围最小为60 mm,侧墙部位裂缝范围居中60～80 mm。这是由于底板下部模型体内的径向拉应变值大于拱顶上方和侧墙部位对应的径向拉应变值,侧墙部位径向拉应变值大于拱顶上部对应位置处的径向拉应变值,定量可以看出,裂缝的范围与径向拉应变值成正比。

(3)超载过程中,洞壁周围岩体随着荷载的增大,不断进入破坏状态,因此,测得的洞周应变值规律性较差,甚至有些点的应变值是不可信的,如底板下部中间点测得的环向应变值。在数据整理过程中可以将其剔除。

(4)随着平行于洞室轴线方向荷载的增加,环带状破坏范围扩大,但分层破坏现象并不是无限制扩大。相关研究表明[14],当形成的新断裂面足够大时,再向外扩展时,最终介质内最大径向拉应变值会小于材料的极限拉应变,使得分层破坏现象被限制在一定范围以内。

(5)图4中,在底板拱脚附近产生了多条滑移线性破坏。其原因是洞壁拱脚附近,因曲率半径小,介质处于环向压应力大、径向应力很小的应力状态,岩体可能达到极限应变形成滑移线性破坏。图7(e), (f)中,在r/D＜0.2范围内,环向应变绝对值远大于径向应变绝对值,证实了这一点。

图7 模型开洞后介质内应变曲线Fig.7 Strain curves afterm ine excavation

(6)由图5从割裂体宽度及距洞壁距离关系来看,拱顶距洞壁距离较近处割裂体宽度5 mm,距洞壁距离远处割裂体宽度35 mm;侧墙相对应分别为3,17 mm;底板则为10,33mm。再加上图7,8中径向拉应变值均随距洞壁距离的增大而减小。可以看出随距洞壁距离的增大,剪切破裂带越宽,围岩的径向应变越小。

2.3 模型体内断裂丝断裂过程及其分析

为了在试验过程中监控洞室围岩内裂缝的发展过程,在模型体内垂直于洞轴线的中间截面上,围绕洞室布置了3条断裂丝,如图9所示。这些应变测点均布置在垂直于洞室轴线的模型体中间水平面上。

断裂丝是由能导电且易断裂的碳棒制作,通过断裂丝断裂显示装置(图10),得到模型在加载过程中断裂监测带上各点的断裂状态,该点指示灯亮表示该点所处范围破裂,指示灯灭表示该点所处范围没有断裂或闭合。断裂丝是本试验的创新之一,形象地反映出围岩介质内的破坏过程和破坏范围。试验过程中,模型断裂丝断裂显示如图10所示,断裂过程见表3。

图9 洞室周围断裂丝布置Fig.9 Breakage filament arrangement in model block

图10 模型体内断裂丝断裂显示Fig.10 The display of fracture in model block

表3 模型断裂丝断裂过程Table 3 The process of fracture in model block

通过图7,8,10和表3可以看到:

(1)模型开挖时,底板下1灯和2灯亮(图10)。说明在开挖时,因为底板曲面半径小,所受到的环向应力大,岩体先达到极限应变形成滑移线性破坏。

(2)超载过程中,由表3可得洞室底板下围岩最先断裂破坏,断裂深度最大;然后是侧墙部位,拱顶以上围岩最晚破坏,断裂深度最小。这是由于底板下部模型体内的径向拉应变值大于拱顶上方和侧墙部位对应的径向拉应变值,侧墙部位径向拉应变值大于拱顶上部对应位置处的径向拉应变值。从侧面证实了径向拉应变是洞周出现裂缝的根本原因。

(3)由表3及图10可得在超载结束时,拱顶上方岩体内断裂丝间隔断裂,底板下方岩体内断裂丝也间隔断裂,但裂缝间割裂体内又连续断裂;侧墙部位岩体内裂缝基本上是连续断裂。

结合图8可以看出,进入初始破坏状态时,拱顶径向应变、侧墙径向应变以及底板径向应变均处于受拉状态,其径向拉应变值大于开挖后对应位置的应变值,拉应变值随距洞壁距离的增大而减小。

表3中数据表明,因其径向拉应变值大于开挖后对应位置的应变值,所以最远裂缝距洞壁距离先是逐渐增大(20 mm→50 mm→70 mm→90 mm),但因拉应变值随距洞壁距离的增大而减小,使得距离又减小,即上述裂缝间割裂体内又连续断裂。

3 结 论

(1)开洞后,拱顶、底板和侧墙附近模型体介质内径向应变均为拉应变,且在洞壁附近最大,然后快速减小;拱顶和底板环向应变为压应变,绝对值随距洞壁距离的增大而减小,开洞后继续加载,这两处的径向应变和环向应变分布规律基本不变,但绝对值增大。开挖后,侧墙环向应变在洞壁附近为压应变,远处为拉应变,开挖后继续加载,侧墙环向应变全为压应变,绝对值随距洞壁距离的增大而减小,径向应变分布规律不变,但绝对值增大。

(2)最大荷载平行于洞室轴线方向,能够出现分区破坏现象,洞室内径向拉应变是洞周出现环状裂缝的根本原因。当洞周径向应变大于介质极限拉应变时,材料产生拉伸裂缝。拉伸断裂面形成后,相当于在原来的介质内又形成了一个新的半径增大的洞室,当轴向压应力继续增大,又在该新洞室周围出现拉伸裂缝。这样洞室在较大的轴向压应力及卸荷作用下,上述拉伸破坏和剪切破坏过程不断重复出现,就会形成交替的破裂区域和未破裂区域的分破坏现象。

(3)巷道底板下围岩最先断裂破坏,断裂深度最大;然后是侧墙部位,拱顶以上围岩最晚破坏,断裂深度最小。拱顶上方岩体内裂缝间割裂体宽度较大;与之相比,底板下方岩体裂缝间割裂体宽度较小;侧墙部位岩体内裂缝间割裂体宽度较小,但宽度较为平均,基本上是连续断裂。

(4)在“先加载,再开洞,再超载”的条件下,本次试验首次得到了洞室周围产生的分区破裂化现象,结合相关学者进行的“先开洞,后加载”所得到的相关成果,可以认为:无论洞室围岩应力场是开洞前施加还是开洞后施加的,只有在最大压力平行于巷道轴线条件下,才能在洞周围岩体内才产生环形、分层断裂形态。

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Model test research on the zonal disintegration in deep rock

YUAN Liang1,2,GU Jin-cai3,XUE Jun-hua1,2,ZHANG Xiang-Yang3

(1.State Key Laboratory ofDeep Coal Mining&Environment Protection,Huainan 232000,China;2.Huainan Mining Group Co.,Ltd.,Huainan 232000, China;3.The Third Engineer Scientific Research Institute of the Headquarters of the General Staff,Luoyang 471023,China)

The“capacity of deep rock breakagemechanics and supporting techniquemodel test”was used to research themechanism of zone disintegration within surrounding rock ofmine in deep stratum,and the failure state and principle of the uprightwall-crown section mine bearingmaximum load that paralleling themine axis line was systematically studied.Themodel test results show that themajor radial tension strain following tension breakage in country rock is the key factor of generation of zonal disintegration aroundmine when the country rock is in dilatancy state,and the distribution characteristic of radial tension strain is that the stain value is increasingwith the axial load raising and is decreasing with the distance from mine wall increasing.A new equivalent radius enlargedmine is emerged after the tension breakage face is formed,and in the persistencemajor axial load state,the broken zone and unbroken zone that is zone disintegration can be generated in countrymine rock with the tension breakage appearing interactively.

deep rock;tension breakage;zonal disintegration;model test

TD313

A

0253-9993(2014)06-0987-07

袁 亮,顾金才,薛俊华,等.深部围岩分区破裂化模型试验研究[J].煤炭学报,2014,39(6):987-993.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0085

Yuan Liang,Gu Jincai,Xue Junhua,et al.Model test research on the zonal disintegration in deep rock[J].Journal of China Coal Society, 2014,39(6):987-993.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0085

2014-01-17 责任编辑:常 琛

袁 亮(1960—),男,安徽金寨人,中国工程院院士。E-mail:yuanl_1960@sina.com